Выбор и расчет конструкции литниково-питающей системы для отливки “Маховик”

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное агентство  по образованию

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального образования

Магнитогорский государственный  технический университет

им. Г. И. Носова

 

Кафедра электрометаллургии и литейного производства

 

Курсовая работа

 

по дисциплине: “Теория  литейных процессов ”

 

на тему: Выбор и расчет конструкции литниково-питающей системы для отливки “Маховик”

 

Вариант 42

 

 

 

Выполнила студентка:                                               Глинястикова Д.В.

Группа:                                                                        МЛ-06-2

 

 

 

Проверил:

Профессор, д.т.н.      Колокольцев В.М.

 

 

 

 

Магнитогорск 2009

Реферат

 

В работе произведен выбор  и расчет литниково-питающей системы, выбор плоскости разъема отливки, рассчитаны размеры прибыли, время заполнения отливки.

Курсовая работа состоит  из 24 страниц и включает 9 рисунков. В курсовой работе использовалось 3 источника.

 

 

Задание

 

Выбрать конструкцию  и рассчитать литниково-питающую систему для отливки «Маховик»; масса отливки 12456 кг; материал отливки сталь 35Л.

 

 

 

Рисунок 1 – Маховик

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Любое изделие состоит  из отдельных деталей, выполненных  из различных материалов и изготовленных определенными способами (литьем, сваркой, ковкой, штамповкой, механообработкой и др.).

Литье – один из основных способов получения заготовок, который заключается в изготовлении специальной формы и заполнении ее жидким расплавом, принимающим очертания полости формы и образующим отливку в процессе затвердевания и охлаждения.

С помощью литья можно  получить детали самой сложной конфигурации, невыполнимые другими способами формообразования. Литейный процесс производителен и недорог.

Литьем могут быть изготовлены изделия массой от нескольких граммов до нескольких сотен тонн. Минимальная масса составляет 10г, а наиболее крупные, подученные в  одной литейной форме, отливки имеют массу около 300т.

Отливают детали практически  из всех известных в настоящее  время сплавов. Среди них, чугун, сталь, различные цветные сплавы, а также специальные сплавы из тугоплавких (W,Mo) и редких металлов (Au,Pt).

Сталью называют сплава железа с углеродом до 2% и другими элементами. В отличие от других сплавов стали обладают высокой прочностью и пластичностью, что обуславливает их широкое применение в различных отраслях промышленности.

Широкое использование  стальных отливок обусловлено рядом обстоятельств, среди которых:

- сравнительно равномерная  структура в различных сечениях  литой детали, что обеспечивает изотропность свойств;

- высокий уровень пластических  свойств, обеспечивающих эксплуатацию литых изделий в широком температурном интервале;

- хорошая свариваемость,  что позволяет получать сварно-литые  изделия любой сложной формы  и большой массы, а также  проводить их ремонт и восстановление;

- экономичность и эффективность  изготовления сложных по конструкции отливок;

- широкие возможности автоматизации изготовления отливок.

Для получения высококачественных отливок необходимо знать особенности процессов структурообразования литой стали, влияние на них процессов плавки, легирования, модифицирования, термической обработки, скорости охлаждения в формах и многих других факторов.

Формирование свойств  отливок начинается уже на стадии приготовления качественного жидкого расплава сталей. Поэтому все большее внимание литейщики уделяют применению современных плавильных агрегатов и процессов, позволяющих получать сталь необходимого состава и требуемых свойств.

Немаловажными в получении  высококачественных отливок являются литейные свойства сталей – это  их основные технологические характеристики.

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Выбор конструкции литниковой системы

 

Литниковая система  представляет собой совокупность каналов и резервуаров, через которые металл заполняет полость формы, соответствующую отливке. В общем случае литниковая система состоит из литниковой чаши, стояка, распределительного канала (шлакоуловителя), и литников (питателей) и прибыли.

Литниковая чаша или воронка  предназначается для принятия струи  металла из ковша, гашения ее энергии, первичного отделения крупных частиц шлака и поддержания постоянного уровня металла при заполнении формы. При литье стали, заливаемой из стопорного ковша, применяются литниковые воронки.  В воронках не отделение шлака не происходит. Металл в них охлаждается меньше, чем в чашах, а это имеет большое значение для стального литья.

Стояк предназначается для передачи металла из литниковой чаши или воронки в нижние части формы. Стояки имеют круглое сечение и небольшую конусность. В основании стояка имеется чашечка – зумпф, гасящая удар струи и препятствующая размыванию формы.

Распределительный канал (шлакоуловитель) предназначается для направления жидкого металла к нескольким отливкам, помещаемым в одной форме, или к различным узлам одной крупной отливки. Кроме того, в нем происходит отделение шлаковых частиц. Шлакоуловитель размещается горизонтально по разъему, обычно в верхней полуформе. Его сечение чаще всего имеет форму трапеции.

Литники (питатели) предназначаются  для подвода металла от распределительного канала (шлакоуловителя) непосредственно в полость формы.

Прибыль – это элемент литниковой системы, который обеспечивает процесс питание отливки, т.е. компенсацию объемной усадки сплава.

Также иногда в литниковую систему  включаются такие элементы, как выпора или дроссель.

Назначение дросселя – снизить  скорость заполнения отливки и обеспечить спокойное заполнение полости формы.

Выпор служит для вывода газов из полости формы и частичного питания тепловых узлов. В некоторых случаях используются как прибыли.

Существуют два вида литниковых систем в зависимости от соотношения поперечных сечений каналов литниковой системы – сужающиеся (запертые) и расширяющиеся (незапертые).

Также литниковые системы классифицируются по способу подвода металла:

Верхняя (дождевая) литниковая система обеспечивает подачу расплавленного металла в полость литейной формы сверху.

Боковая литниковая система выполняет подачу расплавленного металла в полость литейной формы по плоскости разъема формы.

Сифонная литниковая система выполняет подачу расплавленного металла в полость литейной формы снизу, с донной ее части, что обеспечивает наиболее спокойное ее заполнение.

Ярусная литниковая система обеспечивает подачу расплавленного металла в полость формы на нескольких уровнях.

Существуют также другие разновидности литниковых систем, которые чаще всего используются в частных случаях.

Для заливки нашей  формы, исходя из положения отливки в форме, выбираем боковую литниковую систему с тангенциальным подводом металла по плоскости разъема.

 

2 Выбор плоскости разъема отливки

 

При выборе плоскости  разъема необходимо принимать следующие  правила:

- Поверхность разъема  должна обеспечивать получение простого модельного комплекса, состоящего из минимального количества деталей. 

- Поверхность разъема  должна быть одна и плоская,  желательно без получения отъемных частей и большого количества стержней. Выступающие части должны располагаться в нижней полуформе.

- Поверхность разъема  необходимо выбрать так, чтобы  иметь минимальное количество стержней.

- Необходимо разъем  модели так, чтобы высоты модели  и формы были минимальными. Большая  высота приведет к повышенному  давлению на нижние горизонты формы, что приведет к ее подутию. При этом потребуются высокие опоки, которые не являются универсальной оснасткой, а применяются лишь в специальных случаях. Чаще используются опоки примерно одинаковой высоты.

- Для получения более  тонкой отливки все ее части лучше располагать в нижней полуформе. Это исключит перекос, обеспечит надежное крепление стержней.

- Формы для отливок,  имеющих конфигурацию тел вращения  с обрабатываемыми наружными и внутренними поверхностями, лучше заливать в вертикальном положении или центробежным способом. Иногда целесообразно формовку выполнять в одном положении, а заливать форму в другом.

На рисунке 2 представлена отливка с выбранным вариантом расположения ее в форме. С учетом, что отливка имеет форму тела вращения, то выгодно ее располагать вертикально, использую тангенциальный подвод металла.

 

 

 

Рисунок 2 – Плоскость разъема отливки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Расчет объема прибыли

 

В этом пункте рассчитаем объем и металлоемкость прибыли, а также металлоемкости литниковой системы и всей формы в целом. После чего оценим правильность нашего расчета по технологическому выходу годного (ТВГ).

Рассчитаем объем питаемого  узла. Наша отливка имеет 2 массивных тепловых узла, расположенных по диаметру отливки. Поэтому объем питаемого узла будет равен объему кольца.

,

где  – объем питаемого узла, м³;

, , - радиус и высота питаемого узла, м.

 м³;

 м³.

Объем прибыли найдем по формуле:

,

где      – объем прибыли, м³;

 – коэффициент запаса прибыли;

 – коэффициент объемной усадки сплавов, (0,06 – 0,12);

Примем  , а .

 м³;

 м³.

Рассчитаем металлоемкость прибыли и всей формы:

,

где      – объем прибыли, м³;

 – плотность стали, кг/м³.

 кг;

,

где     – металлоемкость литниковой системы, кг;

 – металлоемкость отливки, кг.

 кг;

,

где     – металлоемкость всей формы с прибылью и литниковой системой.

 кг.

Расчет прибыли проверим по расчету ТВГ:

,

где     - технологический выход годного, %.

 % , так как расчетное ТВГ входит в эти пределы, значит, прибыль рассчитана верно.

 

 

4 Расчет количества прибылей и их размеров

 

В зависимости от длины  питаемого узла число прибылей определяется по формуле

,

где  – необходимое количество прибылей, шт.

- ширина прибыли, м.

Отметим, что для хорошего питания желательно использовать эллиптические прибыли, объем которых рассчитывается по формуле

,

где      – длина одной прибыли, м;

 – высота прибыли, м.

Ширина закрытой прибыли равна толщине отливки в месте их стыка мм, высота равна , следовательно

.

Длина питаемого узла пропорциональна средней окружности:

 мм;

,

где      – длина питаемого узла, мм;

 мм;

шт.

Из данных расчетов можно  сделать вывод, что для качественного  питания необходимо установить три прибыли. Для определения объема одной прибыли разделим объем рассчитанный прибыли  на три:

,

где  – объем одной прибыли, м³.

 м³.

 м;

 м;

 м.

Следовательно, для питания  отливки будут использоваться три закрытые эллиптический прибыли высотой 380 мм, длиной 1880 мм и шириной 300 мм.

Также на ступицу отливки  установим кольцевую прибыль.

Диаметр вписанной в  питаемый узел окружности мм. Ширина основания прибыли в этом случае составит

,

 мм.

Принимаем ширину основания 175 мм.

Высота прибыли определяется по формуле

,

 мм.

На рисунке 3 представлена прибыль с размерами.

Рисунок 3 – Прибыль  с размерами

 

Рисунок 4-Отливка с  прибылью

5 Расчет времени заполнения

 

Для заливки формы, исходя из положения отливки в форме  выбираем верхнюю литниковую систему  с подводом металла по плоскости  разъема (т.е. сбоку). Заливку производим из стопорного ковша. Количество отливок в форме примем равное одной.

Рассчитаем время заполнения:

,

 

 

 

где      – время заливки формы, с;

- коэффициент, учитывающий сопротивление  формы ( );

 - средняя толщина стенок отливки, мм.

 с.

Проверим время заполнения формы по скорости:

,

где     – расчетная скорость заполнения формы, мм/с;

 – высота отливки вместе с прибылью, мм;

 мм/с.

Минимальная допустимая скорость подъема металла в форме  данного типа (стальная отливка с  толщиной стенки более 40 мм; сырая форма) находится в пределах 10-6 мм/с.   

Можно сделать вывод, что в нашем случае время заполнения не удовлетворяет минимально допустимому значению. Поэтому уменьшим время заполнения до 140 с и проверим его по скорости:

 с.

Теперь рассчитанное значение времени заполнения удовлетворяет  требованиям.

6 Расчет параметров стопорного ковша

 

Определим заданную весовую  скорость истечения металла из ковша:

,        

где    – весовая скорость истечения металла из ковша, кг/с;

  – металлоемкость формы, кг;

 кг/с.

Расчет параметров ковша  проведем исходя из заданного диаметра отверстия стаканчика (из таблицы справочника). Для данной скорости истечения металла из ковша без торможения струи мм.

Рассчитаем площадь сечения стаканчика:

,        

где     – площадь сечения стаканчика, см²;

 – диаметр стаканчика, см.

 см². 

Определим минимальный  уровень металла в ковше, при котором возможна данная скорость истечения:

,       

где      – конечная высота расплава в ковше, см.

 см.

Чтобы обеспечить необходимые условия для заливки, необходимо иметь минимальный уровень металла в ковше, равный 160,8 см.

Определим изменение  уровня металла в ковше во время  разливки (принимаем ковш емкостью 100 тонн):

,       

где   – суммарная металлоемкость формы, заливаемой с данной весовой скоростью, кг;

 – средний внутренний диаметр (табличное значение), см;

 – изменение уровня металла  в ковше во время заливки, см.

 см.

Определим начальный  уровень металла в ковше перед заливкой:

,       

где    – конечный уровень металла в ковше, см;

- начальный уровень металла в ковше, см.

 см.

При разливке через магнезитовый стакан коэффициент разлива , а соотношение между начальной и весовой скоростью может быть записано в виде отношения:

      

Весовую скорость истечения  металла без торможения при начальном  уровне металла в ковше  см определим по формуле

,       

где   – весовая скорость истечения металла при начальном уровне металла в ковше, кг/с.

кг/с.

Отсюда определим соотношение  весовых скоростей

.

Таким образом, ковш и стаканчик выбран правильно. Заполнение формы можно производить из ковша емкостью 100 т, с начальным уровнем металла в ковше см через стаканчик диаметром мм.

 

7 Расчет литниковой системы

 

Определим суммарную  площадь поперечных сечений питателей:

;     

,      

где   – коэффициент расхода ковша (принимаем 0,89);

  – коэффициент расхода литниковой системы (принимаем 0,47);

 – суммарная площадь поперечных  сечений питателей, см²;

     – начальный уровень металла в ковше, см;

    – конечный уровень металла в ковше, см;

   – конечный напор в литниковой системе, см;

   – начальный напор в литниковой системе, см.

;       

,      

где     – зазор между днищем ковша и верхом воронки (примем 20см);

 – высота стояка вместе  с воронкой или чашей, см;

 – высота отливки в форме от уровня подвода металла, см.

 см;

 см.

Рассчитаем площадь  питателей:

см²;

 см².

Принимаем наибольшую площадь сечения питателя, т.е 66,5 см².

Рассчитаем площадь  одного питателя из условия, что отливку  питают два питателя

,        

где      – площадь сечения одного питателя, см².

 см².

Найдем площадь поперечных сечений шлакоуловителя и стояка:

;     

,

где    – площадь поперечного сечения стояка, см²;

 – площадь поперечного  сечения шлакоуловителя, см²;

 – суммарная площадь поперечных  сечений питателей, см².

 см²;

 см².

Составим неравенство:

;       

Условия расширяющейся  литниковой системы выполняются.

Рисунок 5 – Размеры стояка

Рисунок 6 – Размеры шлакоуловителя

Рисунок 7 – Размеры питателя

 

Рисунок 8 – Отливка с прибылью и литниковой системой

 

Рисунок 9 – Отливка в форме

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

 

1 Вдовин К.Н. Технология литейного производства: Учеб. Пособие.- Магнитогорск: МГТУ, 2001.- 115 с.

2 Могилёв В.К., Лев О.И. Справочник литейщика – М.: Машиностроение, 1988.- 272с.

3 Миляев А.Ф. Литейное  производства: Учеб. Пособие.- Магнитогорск: МГТУ, 2005.- 204с.